Дистанционный курс Химия 10 класс

Лекция 1. Предмет органической химии

Органические вещества в своем составе наряду с другими элементами всегда содержат углерод. Изучение соединений углерода – их строения, химических превращений – и составляет предмет органической химии. 
Вещества по происхождению делят на органические и неорганические.

Наряду с углеродом, в состав органических веществ чаще всего входят водород, кислород и азот, сравнительно реже – сера, фосфор, галогены и другие элементы. Известно несколько миллионов органических соединений, неорганических же веществ значительно меньше. Из всех химических элементов только углерод образует такое большое число органических соединений.

С органическими веществами мы встречаемся на каждом шагу. Они содержатся во всех растительных и животных организмах, входят в состав нашей пищи, служат материалом для изготовления одежды, образуют различные виды топлива, используются нами в качестве лекарств, красителей, средств защиты урожая и т. д.

Резкой грани между органическими и неорганическими веществами не существует. Оксиды углерода, угольная кислота, ее соли и некоторые другие вещества по наличию в них углерода должны считаться органическими, но по свойствам они близки к неорганическим соединениям подобного типа и изучаются обычно в неорганической химии.

С органическими веществами человек знаком с давних времен. Наши далекие предки применяли природные красители для окраски тканей, использовали в качестве продуктов питания растительные масла, животные жиры, тростниковый сахар, получали уксус брожением спиртовых жидкостей.

В настоящее время синтезированы многие органические вещества, не только имеющиеся в природе, но и не встречающиеся в ней: многочисленные пластмассы, различные виды каучуков, всевозможные красители, взрывчатые вещества, лекарственные препараты.
Синтетически полученных веществ сейчас известно даже больше, чем найденных в природе, и число их быстро растет. Осуществляются синтезы самых сложных органических веществ – белков.

Название науки «органическая химия», утратив первоначальный смысл, приобрело в связи с этим более широкое толкование.
Можно сказать, что такое название получило и новое подтверждение, так как ведущей познавательной задачей современной органической химии является глубокое изучение процессов, происходящих в клетках организмов на молекулярном уровне, выяснение тех тонких механизмов, которые составляют материальную основу явлений жизни.
Изучение химии органических веществ, таким образом, расширяет наши знания о природе.

Лекция 2.«Теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова»

Знания об органических веществах накапливались постепенно, еще с глубокой древности, но как самостоятельная наука органическая химия возникла лишь в начале XIX века. Оформление самостоятельности органической химии связано с именем шведского ученого Я. Берцелиуса
Самое существенное различие между веществами неорганическими и органическими       Я. Берцелиус видел в том, что первые могут быть получены в лабораториях синтетическим путем, в то время как вторые якобы образуются лишь в живых организмах под действием некой «жизненной силы» – химического синонима «души», «духа», «божественного происхождения» живых организмов и составляющих их органических веществ.
Теория, объяснявшая образование органических соединений вмешательством «жизненной силы», получила название витализма. В течение некоторого времени она пользовалась популярностью. Только в 1828 г. немецкий ученый Ф. Вёлер сумел получить органическое вещество мочевину из неорганической соли – цианата аммония.
В 1854 г. французский ученый М. Бертло получил триглицерид. Это и повлекло за собой необходимость изменения определения органической химии.
Ученые пытались на основании состава и свойств разгадать природу молекул органических веществ, стремились создать систему, которая позволила бы связать воедино разрозненные факты, накопившиеся к началу XIX века.

Первая попытка создания теории, стремившейся обобщить имевшиеся об органических веществах данные, связана с именем французского химика Ж.Дюма.  Это была попытка рассмотреть с единой точки зрения довольно большую группу органических соединений, которые сегодня мы называли бы производными этилена. Органические соединения оказывались производными некоторого радикала C2H4 – этерина:
C2H4 * HCl – хлористый этил (солянокислый этерин)
Заложенная в этой теории идея – подход к органическому веществу как состоящему из 2-х частей – легла в последствии в основу, более широкой теории радикалов (Я. Берцелиус, Ю.Либих, Ф. Вёлер). Эта теория основана на представлении о «дуалистическом строении» веществ. Я. Берцелиус писал: «Каждое органическое вещество состоит из 2-х составных частей, несущих противоположный электрический заряд». Одной из этих составных частей, а именно частью электроотрицательной, Я.Берцелиус считал кислород, остальная же часть, собственно органическая, должна была составлять электроположительный радикал.
Основные положения теории радикалов: 
– в состав органических веществ  входят радикалы, несущие на себе положительный заряд;
– радикалы всегда постоянны, не подвергаются изменениям, они без изменений переходят из одной молекулы в другую;
– радикалы могут существовать в свободном виде.
Постепенно в науке накапливались факты, противоречащие теории радикалов. Так Ж.Дюма провел замещение водорода хлором в углеводородных радикалах. Ученым, приверженцам теории радикалов, казалось невероятным, чтобы хлор, заряженный отрицательно, играл в соединениях роль водорода, заряженного положительно. В 1834 г. Ж. Дюма получил задание расследовать неприятное происшествие во время бала во дворце французского короля: свечи при горении выделяли удушливый дым. Ж.Дюма установил, что воск, из которого делались свечи, фабрикант для отбелки обрабатывал хлором. При этом хлор входил в молекулу воска, заменяя часть содержавшегося в ней водорода. Удушливые пары, перепугавшие королевских гостей, оказались хлороводородом (HCl). В дальнейшем Ж.Дюма получил трихлоруксусную кислоту из уксусной.
Таким образом, электроположительный водород заменялся крайне электроотрицательным элементом хлором, а свойства соединения при этом почти не менялись. Тогда Ж.Дюма сделал вывод, что на место дуалистического подхода должен стать подход к органическому соединению как единому целому.
Теория радикалов была постепенно отвергнута, однако она оставила глубокий след в органической химии:
– понятие «радикал» прочно вошло в химию;
– верным оказалось утверждение о возможности существования радикалов в свободном виде, о переходе в огромном числе реакций определенных групп атомов из одного соединения в другое.
В 40-х г.г. XIX в. было положено начало учению о гомологии, позволившему выяснить некоторые отношения между составом и свойствами соединений. Выявлены гомологические ряды, гомологическая разность, что позволило классифицировать органические вещества. Классификация органических веществ на основе гомологии привела к возникновению теории типов (40-50-е годы XIX в., Ш. Жерар, А.Кекуле и др.)
Сущность теории типов:
– в основу теории положена аналогия в реакциях между органическими и некоторыми неорганическими веществами, принятыми в качестве типов (типы: водород, вода, аммиак, хлороводород и др.). Замещая в типе вещества атомы водорода на другие группы атомов, ученые предсказали различные производные. Например, замещение атома водорода в молекуле воды на радикал метил приводит к возникновению молекулы спирта. Замещение двух атомов водорода – к появлению молекулы простого эфира.

Ш. Жерар прямо говорил в связи с этим, что формула вещества – это только сокращенная запись его реакций.
Все органические  вещества считали производными простейших неорганических веществ – водорода, хлороводорода, воды, аммиака;
– молекулы органических веществ представляют собой систему, состоящую из атомов, порядок соединения которых неизвестен; на свойства соединений влияет совокупность всех атомов молекулы;
– невозможно познать строение вещества, так как молекулы в процессе реакции изменяются. Формула вещества отражает не строение, а реакции, в которые данное вещество может вступать. Для каждого вещества можно написать столько рациональных формул, сколько различных видов превращений может испытывать вещество. Теория типов допускала множественность «рациональных формул» для веществ в зависимости от того, какие реакции хотят этими формулами выразить.
Теория типов сыграла большую роль в развитии органической химии: 
– позволила предсказать и открыть ряд веществ;
– оказала положительное влияние на развитие учения о валентности;
– обратила внимание на изучение химических превращений органических соединений, что позволило глубже изучить свойства веществ, а также свойства предсказываемых соединений;
– создала совершенную для того времени систематизацию органических соединений.
Не следует забывать, что в действительности теории возникали и сменяли друг друга не последовательно, а существовали одновременно. Химики нередко плохо понимали друг друга. Ф.Вёлер в 1835 г. говорил, что «органическая химия в настоящее время может кого угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься проникнуть…».
Ни одна из этих теорий не стала теорией органической химии в полном смысле слова. Главная причина несостоятельности этих представлений в их идеалистической сущности: внутреннее строение молекул считалось принципиально непознаваемым, а любые рассуждения о нем – шарлатанством.
Нужна была новая теория, которая бы стояла на материалистических позициях. Такой теорией явилась теория химического строения А.М. Бутлерова, которая создана в 1861 г. Все рациональное и ценное, что было в теориях радикалов и типов, было в дальнейшем ассимилировано теорией химического строения.
Необходимость появления теории диктовалась: 
– возросшими требованиями промышленности к органической химии. Необходимо было обеспечить текстильную промышленность красителями. В целях развития пищевой промышленности требовалось усовершенствовать методы переработки сельскохозяйственных продуктов.
В связи с этими задачами начали разрабатываться новые методы синтеза органических веществ. Однако у ученых возникли серьезные затруднения по научному обоснованию этих синтезов. Так, например, нельзя было объяснить валентность углерода в соединениях с помощью старой теории.
Углерод нам известен как элемент 4-х валентный (Это было доказано экспериментально). Но здесь он как будто только в метане CH4 сохраняет эту валентность. В этане C2H6 если следовать нашим представлениям, углерод должен быть  3-валентным, а в пропане C3H8 –иметь  дробную валентность. (А мы знаем, что валентность должна быть выражена только целыми числами).
Какова же валентность углерода в органических соединениях?
Было непонятно, почему существуют вещества с одинаковым составом, но различными свойствами: С6H12O6 – молекулярная формула глюкозы, но такая же формула и фруктозы (сахаристого вещества – составной части мёда).
Доструктурные теории не могли объяснить многообразие органических веществ. (Почему углерод и водород – два элемента, – могут образовывать такое большое число различных соединений?).
Необходимо было систематизировать имеющиеся знания с единой точки зрения и разработать единую химическую символику.
Научно обоснованный ответ на эти вопросы дала теория химического строения органических соединений, созданная русским ученым А.М. Бутлеровым.
Основными предпосылками, подготовившими почву для возникновения теории химического строения были:
– учение о валентности. В 1853 г. Э. Франкланд ввел понятие о валентности, установил валентность для ряда металлов, исследуя металлоорганические соединения. Постепенно понятие валентности было распространено на многие элементы.
В 1858 г. А. Кекуле предложил считать атом углерода четырехвалентным.
- важным открытием для органической химии явилась гипотеза о способности атомов углерода к образованию цепей (А. Кекуле, А. Купер).
- одной из предпосылок была выработка правильного представления об атомах и молекулах. До 2-й половины 50-х г.г. XIX в. не было общепризнанных критериев для определения понятий: «атом», «молекула», «атомная масса», «молекулярная масса». Только на международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860 г.) были четко определены эти понятия, что предопределило развитие теории валентности, возникновение теории химического строения.
Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова (1861 г.)
А.М. Бутлеров сформулировал важнейшие идеи теории строения органических соединений в виде основных положений, которые можно разделить на 4 группы
1. Все атомы, образующие молекулы органических веществ, связаны в определенной последовательности согласно их валентности (т.е. молекула имеет строение). 
В соответствии с этими представлениями валентность элементов условно изображают черточками.  Схематичное  изображение строения молекул называют формулами строения и структурными формулами.

      H

       |

H---C---H

       |

      H

В этих соединениях углерод четырехвалентен. (Черточка символизирует ковалентную связь, пару электронов).
2. Свойства вещества зависят не только от того какие атомы и сколько их входит в состав молекул, но и от порядка соединения атомов в молекулах (т.е. свойства зависят от строения).
Данное положение теории строения органических веществ объяснило, в частности, явление изомерии. Существуют соединения, которые содержат одинаковое число атомов одних и тех же элементов, но связанных в различном порядке. Такие соединения обладают разными свойствами и называются изомерами.
Явление существования веществ с одинаковым составом, но разным строением и свойствами называется изомерией.

Существование изомеров органических веществ объясняет их многообразие. Явление изомерии было предсказано и доказано (экспериментально) А.М.Бутлеровым на примере бутана.
Составу  С4Н10 отвечают две структурные формулы, в которых расположение атомов углерода по отношению друг к другу различно.
             Н          Н        Н       Н                                

            |          |          |         |

   Н ---С  ---   С  ---- С  ---С---Н       н.бутан (tкип .-0,50С)

           |           |           |        |

          Н          Н         Н      Н

          Н               Н              Н                                      

           |                 |               |        

   Н ---С     ----     С    ----     С  ---Н   изобутан (tкип -11,70С)

           |                 |               |        

          Н        Н--- С---Н        Н      

                             |

                            Н
Разное взаимное расположение атомов углерода в молекулах углеводородов  появляется только у  бутана. Число изомеров возрастает с увеличением числа атомов углерода у соответствующего углеводорода, например, у пентана – три изомера, а у декана – семьдесят пять.
3. По свойствам данного вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы предвидеть свойства.
Из курса неорганической химии, известно, что свойства неорганических веществ зависят от строения кристаллических решеток. Отличительные свойства атомов от ионов объясняются их строением. В дальнейшем мы убедимся, что органические вещества с одинаковыми молекулярными формулами, но разным строением отличаются не только по физическим, но и по химическим свойствам.
4. Атомы и группы атомов в молекулах веществ взаимно влияют друг на друга.
Как нам уже известно, свойства неорганических соединений, содержащих гидроксогруппы, зависят от того, с какими атомами они связаны – с атомами металлов или неметаллов. Так, например, гидроксогруппу содержат как основания, так и кислоты.
Однако, свойства этих веществ совершенно различны. Причина различного химического характера группы – ОН (в водном растворе) обусловлена влиянием связанных с ней атомов и групп атомов. С возрастанием неметаллических свойств центрального атома ослабляется диссоциация по типу основания и возрастает диссоциация по типу кислоты.
Органические соединения также могут иметь разные свойства, которые зависят от того, с какими атомами или группами атомов связаны гидроксильные группы.
Вопрос о взаимном вливании атомов А.М. Бутлеров подробно разобрал 17 апреля 1879 г. на заседании Русского физико-химического общества. Он говорил, что если с углеродом связаны два разных элемента, например, Cl и H, то «они здесь не зависят один от другого в той степени, как от углерода: между ними нет той зависимости, той связи, какая существует в частице соляной кислоты… Но следует ли из этого, что в соединении CH2Cl2 между водородом и хлором нет никакой зависимости? Я отвечаю на это решительным отрицанием».
В качестве конкретного примера он приводит далее увеличение подвижности хлора при превращении группы CH2Cl в COCl и говорит по этому поводу: «Очевидно, что характер находящегося в частице хлора изменился под влиянием кислорода, хотя этот последний и не соединился с хлором непосредственно…»

Вопрос о взаимном влиянии непосредственно не связанных атомов явился основным теоретическим стержнем работ В.В. Марковникова.
В истории человечества известно сравнительно немного ученых, открытия которых имеют всемирное значение. В области органической химии такие заслуги принадлежат А.М. Бутлерову. По значимости теорию А.М. Бутлерова сопоставляют с Периодическим законом.
Теория химического строения А.М. Бутлерова:
– дала возможность систематизировать органические вещества;
– ответила на все вопросы, возникшие к тому времени в органической химии (см. выше);
– позволила теоретически предвидеть существование неизвестных веществ, найти пути их синтеза.
Прошло почти  полтора века с тех пор, как была создана  Теория химического строения  органических соединений А.М. Бутлерова,  но и теперь химики всех стран используют ее в своих работах. Новейшие достижения науки пополняют данную теорию, уточняют и находят все новые подтверждения правильности ее основных идей.
Теория химического строения и сегодня остается фундаментом органической химии.